李永娟，王賀鄭，苗同臣

(鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001)

CRTSⅡ型板式無砟軌道相鄰軌道板間的縱向連接件稱作張拉鎖件，由張拉鎖、螺母、鋼墊圈及絕緣墊片組成，其構(gòu)造如圖1所示。它不僅能方便地調(diào)節(jié)軌道板間的張拉力，而且具有良好的絕緣性能，已廣泛應(yīng)用于高速鐵路無砟軌道的鋪設(shè)中。張拉鎖件力學(xué)性能的好壞，質(zhì)量是否過關(guān)，對無砟軌道質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

圖1 張拉鎖件構(gòu)造示意

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，近幾年關(guān)于各種無砟軌道技術(shù)和施工等方面的研究也在國內(nèi)外特別是我國普遍展開，研究主要集中在各種無砟軌道的技術(shù)改進和設(shè)計要求及軌道板力學(xué)性能方面［1-3］，而專門針對張拉鎖件的力學(xué)性能方面的研究目前還很少。就目前查閱的文獻來看，對無砟軌道張拉鎖件的研究只有文獻［4］，該文獻用試驗的方法測試張拉鎖件的疲勞性能，同時測試了其絕緣性。本文將數(shù)值計算和試驗結(jié)果進行對比分析，對張拉鎖件的靜態(tài)力學(xué)性能進行比較全面的研究。

1 張拉鎖數(shù)值分析

1.1 張拉鎖材料參數(shù)

張拉鎖材料采用QT500-7球墨鑄鐵，材料參數(shù)如表1所示，其它性能指標遵循標準［5］的規(guī)定。

表1 張拉鎖材料參數(shù)

1.2 有限元數(shù)值模型

本文利用ANSYS軟件進行數(shù)值建模和有限元分析。由于張拉鎖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，在建模過程中進行一些近似處理。選用Solid45單元對實體模型進行自由網(wǎng)格劃分，最終的有限元模型節(jié)點數(shù)為27 880個，單元數(shù)為129 246個。材料屬性選用各項同性的線彈性材料。

根據(jù)張拉鎖件工作的實際情況，通過簡化，對張拉鎖放置絕緣墊片處一端施加位移約束，另一端施加拉力。參考標準［5］的試驗要求，對張拉鎖施加160 kN的拉力，在數(shù)值分析時，拉力換算成張拉鎖兩端的面荷載74.23 MPa。圖2為張拉鎖的ANSYS計算模型。

1.3 計算結(jié)果分析

第一強度理論又稱為最大拉應(yīng)力理論，表述材料發(fā)生斷裂由最大拉應(yīng)力引起，即當最大拉應(yīng)力達到某一極限值時材料發(fā)生斷裂。

在簡單的拉伸試驗中，3個主應(yīng)力有2個是0，最大主應(yīng)力就是試件橫截面上該點的應(yīng)力，當這個應(yīng)力達到材料的強度極限σb時，試件就發(fā)生斷裂。因此，材料的破壞條件為σ1=σb，考慮安全系數(shù)以后的強度條件為σ1≤［σ］，這里的σ1必須為拉應(yīng)力。

圖2 張拉鎖的ANSYS計算模型

由于張拉鎖件只承受拉力，且會產(chǎn)生脆性斷裂，因此運用第一強度理論作為破壞準則。

圖3為張拉鎖第一主應(yīng)力的應(yīng)力云圖，圖4為等效應(yīng)力云圖。從圖3和圖4可以看出，應(yīng)力最大位置發(fā)生在張拉座和張拉筋的過渡部位，這個部位就是可能發(fā)生斷裂破壞的危險點，這個節(jié)點所在的截面就是危險截面。另外，在張拉座和張拉筋的過渡部位以及張拉槽頂部存在明顯的應(yīng)力集中，因此，張拉鎖的破壞很有可能是由應(yīng)力集中引起的。

圖3 第一主應(yīng)力的應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖4 等效應(yīng)力云圖(單位:MPa)

2 張拉鎖力學(xué)性能試驗

根據(jù)客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件暫行技術(shù)條件的條款［5］，張拉鎖應(yīng)具有可靠的承載能力，最小承載能力不得低于160 kN。

圖5為張拉鎖件拉力試驗示意圖。具體試驗步驟為:在外形尺寸、外觀質(zhì)量檢驗合格的產(chǎn)品中抽取試驗用零件，按圖6組裝張拉鎖件，拉力機上、下端夾頭將試件兩端精軋螺紋鋼筋夾緊，然后以不大于2 kN/s速率加載。圖6為正在拉伸試驗中的張拉鎖。

圖5 拉力試驗示意(單位:mm)

圖6 張拉鎖拉伸試驗

根據(jù)標準［5］的要求，張拉鎖件進行拉力試驗時，在拉力為160 kN條件下，張拉鎖、螺母、鋼墊圈及絕緣墊片不得有裂紋或其他失效，否則為不合格。試驗操作時加載至斷裂破壞，記下破壞荷載，觀察斷口位置和斷口特征。

圖7(a)為大部分張拉鎖拉斷時出現(xiàn)的破壞情況，這與數(shù)值分析的結(jié)果相吻合。出現(xiàn)如圖7(b)中的破壞主要是由于通過精軋螺紋鋼筋作用于張拉鎖面上的力不均勻造成的，而在數(shù)值分析時是在張拉鎖施加均勻的面力。

經(jīng)過多廠家多批次的張拉鎖拉力破壞試驗，合格率均在98%以上，大部分破壞荷載在180～190 kN，個別達到200 kN。這個破壞值明顯小于材料的抗拉強度，從而驗證了張拉鎖的破壞主要是由應(yīng)力集中引起的。

圖7 張拉鎖的兩種破壞情況

試驗過程中有時候會出現(xiàn)鋼墊圈斷裂或變形，伴隨這種情況，還會出現(xiàn)螺紋鋼筋變彎的現(xiàn)象。這是由于鋼墊圈的硬度太大或太小，這種情況將影響張拉鎖的受力方式，不滿足標準［5］的加載要求，必須停止試驗，更換符合標準［5］要求的合格鋼墊圈，然后重新試驗。

3 結(jié)論

1)本文經(jīng)過適當?shù)暮喕幚?，對張拉鎖這樣一個復(fù)雜的構(gòu)件成功建模，并進行數(shù)值分析，為后續(xù)更加深入的研究提供參考。

2)在試驗過程中應(yīng)注意張拉鎖件的安裝，以免鋼筋比張拉鎖先破壞，影響試驗的繼續(xù)加載。

3)通過靜態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，張拉鎖的應(yīng)力集中處就在張拉筋和張拉座之間的銜接部分，此處最有可能產(chǎn)生斷裂。

4)通過分析得出張拉鎖破壞主要是由應(yīng)力集中引起的，減小應(yīng)力集中能有效地增強張拉鎖的抗拉強度，建議在容易斷裂的過渡部分進行改造，讓其更加圓滑，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，還可以對此處張拉筋進行局部加厚。

5)為緩解應(yīng)力集中使受力狀況更均勻，可以考慮加厚絕緣墊片或者增加張拉槽內(nèi)鋼墊圈的柔韌性。

［1］朱高明.國內(nèi)外無砟軌道的研究與應(yīng)用綜述［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(7):28-30.

［2］胡根友.CRTSⅡ型板式無砟軌道施工質(zhì)量通病和應(yīng)對措施探討［J］.鐵道建筑，2013(2):97-99.

［3］王可用.高速鐵路CRTSⅡ型板無砟軌道底座板施工質(zhì)量控制技術(shù)［J］.鐵道建筑，2013(4):128-130.

［4］高怡斐，劉濤，張善業(yè)，等.客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件疲勞和絕緣性能測試［J］.冶金分析，2010，30(增刊):1339-1341.

［5］中華人民共和國鐵道部.科技基［2009］135號 客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.